1.1. 万维网和地理信息系统

1.1.1. 互联网、万维网和移动网 #

在20世纪60年代“冷战”期间，美国国防部的高级研究计划署（ARPA)启动了一个网络研究项目， 其目的是建立一个分布式的计算机网络，即使其中的一些节点不能工作或被核武器摧毁时，依然能够进行信息交换。 1969年，该项目组成功地连接了美国西部四所大学（斯坦福大学、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校、加利福尼亚大学洛杉矶分校和犹他州立大学）的计算机（图1. 1 )， 这标志着互联网的产生。 高级研究计划署网络（ARPANet)就是今天互联网的前身。 随后，这个网络由军用转为民用，一些政府部门、大学和研究机构的计算机逐步加入到该网络中，到1975年底， 该网络的计算机数量达到57台； 到1989年底，达到100 000台。

20世纪90年代以前，互联网并不像今天这样流行， 因为当时互联网上的内容和所能提供的服务有限，主要有电子邮件、新闻讨论组（不同于今天基于万维网的讨论组）、文件传输和远程登录。 使用复杂，内容也不像现在这样丰富多彩，所以其用户基本上都是研究机构和政府部门的专业人员。

1989年，欧洲粒子物理研究所（CERN)的一位科学家(Tim Bemers-Lee)，极大地改变了互联网的使用方式。 当时他在寻求一种简单的方法来与同事分享和交换文件。 1989年，他在一个项目建议书中描述了万维网的设想。1990年, 他编写了第一个网页以实现他的设想。 在这个研究中， 他发明了 HTTP (Hypertext Transfer Protocol;超文本传输协议）、HTML ( Hypertext MarkupLanguage;超文本标记语言）和URL (Uniform ResourceLocator;统一•资源定位符）。 他把自己的发明命名为万维网（World WideWeb)，开发了世界上第一个Web服务器和Web浏览器， 因而他被称为“万维网之父”（图1.2）。

万维网使互联网变得充满情趣且方便易用，它彻底改变了我们的工作和生活方式， 使计算机的主要角色从计算扩展到日常交流和娱乐。 此后， 万维网迅速扩展,互联网上计算机数量、网站数量、资源类型和用户数量呈指数级数增长（International TelecommunicationUnion,2011)。 人们越来越习惯于网上冲浪，而不必再花钱订阅报刊； 电子邮件具有光的速度，瞬间到达天涯海角， 特快专递不可与之同日而语;我们每天都发送几十封国内、国际电子邮件， 而不必再奔波到邮局;利用易趣和亚马逊等网上购物和拍卖网站，足不出户，你就可以货比三家，找到最好的交易。 利用脸谱网(Facebook)和人人网等社交网站，你可以方便地找到老朋友，结交新朋友。 利用推特(Twitter)和微博，你可以随时了解天下的大事小情或朋友的所思所想。 对于很多人来说，视频网站具有丰富的内容和个性化的频道，比电视更具有吸引力。 即时通拉近你与远在天涯的家人的距离,听其声、见其人，随时聊天而不用再担心电话费用;使用免费的在线影集， 你可以与全世界的朋友分享数以千计的照片，而不必再冲洗和邮递;人们不必再翻开那厚厚的电话簿，鼠标轻轻一点， 就能够在网上找到所需要的商家信息。 通过视频会议，人们舒舒服服地坐在办公室里就可以见客户、谈生意，而不必再起早贪黑地去赶飞机、追火车， 免去了很多出差的费用和旅途的辛苦。 今天，万维网已经成为现代社会中不可缺少的一部分，很多人，特别是那些随着Web —起长大的年轻人， 甚至无法想象没有Web的生活是什么样子。

在很多人的脑海和谈话中，互联网和万维网是同义词，但实际上它们有所不同。 互联网是一个把分布在全世界的数以百万计的计算机等设备连接起来的巨大的计算机网络。 互联网上的计算机可以通过一系列的协议与其他计算机交流， 这些协议包括 HTTP 、SMTP(简单邮件传输协议）、FTP(文件传输协议）、IRC(互联网中继聊天）、IM(即时通信）、Telnet(远程登录）、P2P(点对点或对等网络)等。 万维网是互联网上的众多网站和超文本文件的集合，它主要通过超文本传输协议把各种超文本文件连接起来。 超文本传输协议虽然只是互联网协议中的一个，但它所聚集起来的丰富内容和所能支持的用户交互活动， 是互联网最主要的吸引力，因此，万维网被称为是互联网的“门面”（Douglas，2008)。

近年来,iPhone和iPad以其让人着迷的用户体验而风靡全球，引领智能手机和平板电脑的发展潮流， 智能手机及平板电脑如雨后春笋遍地开花,迅速普及，移动用户的数量不断壮大。 国际电信联盟估计，全球移动无线网络的订购用户量在2011年底达到60亿（注:分布不均衡， 一些人具有多部手机和平板电脑）（International Telecommunication Union,2011)。 无线保真（Wi-Fi)技术、3G和4G蜂窝移动通信技术也迅猛发展，越来越多的用户订购了手机宽带网， 推动了互联网和万维网的进一步爆炸式增长。 展望未来，无线网络将比有线网络大很多倍,让人们能够随时随地享受到上网的自由和乐趣。

1.1.2. 地理信息系统 #

世界上发生的每件事情都与一个地方相关联。 知道某事某物在哪里和它们为什么在那里，这些对于人们做出正确的决定都是至关重要的。 GIS (地理信息系统，geographic information system;或地理信息科学，geographicinformationscience),是一门处理与地理位置有关的问题的，能够对地理数据进行采集、储存、管理、分析、表达和共享，帮助人们做出正确决策的技术和科学。

地理信息系统的出现比互联网更早一些C3 1962年， Roger Tomlinson(图1.3)为加拿大联邦政府林业和农业发展部开发了世界上第一个可操作的地理信息系统， 称为“加拿大地理信息系统”，用于加拿大土地利用的详查、统计和规划。 Roger Tomlinson开仓[)了 GIS,并致力于推动GIS方法论的发展(Tomlinson， 2011)，因而被称为“地理信息系统之父”。

尽管GIS通常用于编制地图，但是它的功能远不限于此，它具有强大的分析功能， 能将很多看似无关的数据以它们共同的地理位置为基础关联起来，并能进行综合分析， 将那些在电子表格或统计软件包中隐藏的或不容易显示的关系、规律和趋势挖掘出来，以支持人们做出科学决策。 GIS可以把现实世界抽象成一系列的空间数据层，如土地利用、高程、图像、街区、道路和商业客户等（图1.4)。 GIS可以把这些图层以多种方法组合起来,绘制成多种 专题地图 ， 而且，GIS还可以对这些图层进行更进一步的分析，从中提取出大量有用的信息，解决诸如下面的问题：

如果有一场洪水，哪些区域比较危险？

分析方法： 可以利用缓冲区分析进行粗略的估计(如距离河边50 m)，或者用三维立体表面模型进行相对更准确的分析， 还可以结合降水和洪水过程的信息，建立更精确的洪水淹没模型，考虑自然降水量和洪峰过程， 动态模拟淹没范围和淹没过程。

应用：政府部门可以用这个结果制定有关的政策、进行区域规划和应急管理。 例如，哪些区域的洪水危险系数较高，不宜开发为居民区？ 如果洪水将要爆发，需要优先疏散哪些地方的居民，疏散到哪里？

哪些客户可能会受到影响？

分析方法:利用地理信息系统的叠加分析，保险公司可以将上述洪水淹没区与其客户分布图层进行叠加， 从而来确定哪些客户的房子遭受水灾的可能性较大。

应用： 保险公司能够对不同地区的用户制定不同的收费标准，也能够预先计算出如果洪水爆发可能需要的理赔总额， 以计算投资风险。

如果洪灾发生，如何应对？

分析方法:GIS技术可以找到两岸地势较低、人烟稀少的地方作为泄洪区，选择出最佳的决堤地点。

应用：政府可以做好预案，紧急救援人员能预先做好准备，以减少损失，拯救生命。

上面只是GIS应用的一个简单例子。 自GIS产生以来，GIS行业已经建立了有关数据管理、可视化和空间分析的理论基础并研发出了丰富的产品， 使GIS在城市规划、国土管理、环境保护、市场分析、公共安全和生态系统模拟等许多领域中发挥了重要作用。 在这些应用中，GIS的作用远远超出制图范畴，其丰富的分析功能帮助人们利用空间思维模式， 发现事物的隐含关系、空间分布规律和演变趋势，做出智慧的决策。 地理信息系统是地理设计（GeoDesign)的支撑科学与技术（图1.5)， 它可以把地理分析引入到所有与地理空间因素相关的设计过程之中， 为地理规划和决策创造出一套系统的方法论和工具集， 帮助人们了解、分析和解决当前世界上的诸多问题（Steinitz,1990; Dangermond,2009a)。 过去几十年里，GIS的发展和运用使很多领域受益匪浅。 万维网的出现更是给GIS提供了更广阔的舞台，让GIS走向更多行业，走进千家万户。